Technika vysokých napětí. Měření vysokých napětí a velkých proudů

Podobné dokumenty
TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ. Měření vysokých napětí a velkých proudů

Elektroenergetika 1. Vysokonapěťové zkušebnictví

TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ. Zdroje vysokých napětí

Technika vysokých napětí. Zdroje vysokých napětí

Obvodové prvky a jejich

Kapacita, indukčnost; kapacitor-kondenzátor, induktor-cívka

Přehled veličin elektrických obvodů

Rezistor je součástka kmitočtově nezávislá, to znamená, že se chová stejně v obvodu AC i DC proudu (platí pro ideální rezistor).

Základní pasivní a aktivní obvodové prvky

FYZIKA II. Petr Praus 9. Přednáška Elektromagnetická indukce (pokračování) Elektromagnetické kmity a střídavé proudy

ZÁKLADY ELEKTROTECHNIKY pro OPT

Třída přesnosti proudu. Principy senzorů

Kompenzovaný vstupní dělič Analogový nízkofrekvenční milivoltmetr

Laboratorní úloha č. 2 Vzájemná induktivní vazba dvou kruhových vzduchových cívek - Faradayův indukční zákon. Max Šauer

popsat princip činnosti základních zapojení čidel napětí a proudu samostatně změřit zadanou úlohu

List 1 z 6. Akreditovaný subjekt podle ČSN EN ISO/IEC 17025:2005: FORTE a.s. Metrologická laboratoř Mostkovice 529

Rozsah měřené veličiny

3. Měření efektivní hodnoty, výkonu a spotřeby energie

Elektrická kapacita a indukčnost

10a. Měření rozptylového magnetického pole transformátoru s toroidním jádrem a jádrem EI

1. Změřte závislost indukčnosti cívky na procházejícím proudu pro tyto případy:

Elektromagnetismus 163

Vazební mechanismy přenosu rušivých signálů. Jiří Dřínovský UREL, FEKT, VUT v Brně

Elektromechanický oscilátor

ROZDĚLENÍ SNÍMAČŮ, POŽADAVKY KLADENÉ NA SNÍMAČE, VLASTNOSTI SNÍMAČŮ

Základy elektrotechniky 2 (21ZEL2) Přednáška 1

Kompenzační transformátory proudu Proudové senzory

Harmonický průběh napětí a proudu v obvodu

C p. R d dielektrické ztráty R sk odpor závislý na frekvenci C p kapacita mezi přívody a závity

Příloha č.: 1 ze dne: je nedílnou součástí osvědčení o akreditaci č.: 456/2012 ze dne: List 1 z 6

Měření závislosti indukčnosti cívky (Distribuce elektrické energie - BDEE)

Technika vysokých napětí. Elektrické výboje v elektroenergetice

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 6. Název: Měření účiníku. dne: 16.

Kalibrace: Nominální teplota pro kalibraci v laboratoři: (23 ± 2) C Nominální teplota pro kalibraci mimo laboratoř: (23 ± 5) C

Proudové převodníky AC proudů

Tématické okruhy teoretických zkoušek Part 66 1 Modul 3 Základy elektrotechniky

TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ. #4 Elektrické výboje v elektroenergetice

Systémy analogových měřicích přístrojů

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, měření elektrického napětí

u = = B. l = B. l. v [V; T, m, m. s -1 ]

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu.

11. Odporový snímač teploty, měřicí systém a bezkontaktní teploměr

TEORIE ELEKTRICKÝCH OBVODŮ

pracovní list studenta RC obvody Měření kapacity kondenzátoru Vojtěch Beneš

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Určeno studentům středního vzdělávání s maturitní zkouškou, druhý ročník, měření elektrického proudu

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

FYZIKA II. Petr Praus 10. Přednáška Elektromagnetické kmity a střídavé proudy (pokračování)

[Otázky Autoelektrikář + Mechanik elektronických zařízení 1.část] Na rezistoru je napětí 25 V a teče jím proud 50 ma. Rezistor má hodnotu.

Flyback converter (Blokující měnič)

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY A EKOLOGIE DIPLOMOVÁ PRÁCE

Jan Horký, Front End Sales / Seminář Novinky portfolia ABB, Seminář Novinky porfolia ABB Měřící transformátory a senzory

11. MĚŘENÍ SŘÍDAVÉHO PROUDU A NAPĚTÍ

D C A C. Otázka 1. Kolik z následujících matic je singulární? A. 0 B. 1 C. 2 D. 3

Přístrojový transformátor proudu PTD s děleným jádrem

VÝPOČET JEDNOFÁZOVÉHO TRANSFORMÁTORU

3. Kmitočtové charakteristiky

Elektrický proud 2. Zápisy do sešitu

Vítězslav Stýskala, Jan Dudek. Určeno pro studenty komb. formy FBI předmětu / 06 Elektrotechnika

13 Měření na sériovém rezonančním obvodu

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření Měření vlastní a vzájemné indukčnosti část Teoretický rozbor

Střední od 1Ω do 10 6 Ω Velké od 10 6 Ω do Ω

20ZEKT: přednáška č. 10. Elektrické zdroje a stroje: výpočetní příklady

SMART transformátor proudu PTD s děleným jádrem

PSK1-15. Metalické vedení. Úvod

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Základní elektronické obvody

Prvky a obvody elektronických přístrojů II

MĚŘENÍ ELEKTRICKÉHO NAPĚTÍ

bifilárním vinutím malá indukčnost vinutého odporu Chaperonovo vinutí malá indukčnost a kapacita. Vyhovující jen pro kmitočty do 100Hz

Fyzikální praktikum...

Identifikátor materiálu: VY_32_INOVACE_356

Příloha č. 1. amplitudová charakteristika filtru fázová charakteristika filtru / frekvence / Hz. 1. Určení proudové hustoty

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Elektromechanické měřicí přístroje

M-142 Multifunkční kalibrátor

Zapojení teploměrů. Zadání. Schéma zapojení

Vysokonapěťové kapalinové děliče pro měření rychlých přechodných dějů

Integrovaná střední škola, Sokolnice 496

ELEKTROMAGNETICKÉ POLE

Základní otázky pro teoretickou část zkoušky.

Kapacitní senzory. ε r2. Změna kapacity důsledkem změny X. b) c) ε r1. a) aktivní plochy elektrod. b)vzdálenosti elektrod

STŘÍDAVÝ PROUD POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

FYZIKA II. Petr Praus 6. Přednáška elektrický proud

Manuální, technická a elektrozručnost

Strana 1 (celkem 11)

U1, U2 vnější napětí dvojbranu I1, I2 vnější proudy dvojbranu

Digitální učební materiál

Korekční křivka měřícího transformátoru proudu

MĚŘENÍ Laboratorní cvičení z měření. Měření magnetických veličin, část 3-9-3

Interakce ve výuce základů elektrotechniky

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Přechodné děje 2. řádu v časové oblasti

Měřená veličina. Rušení vyzařováním: magnetická složka (9kHz 150kHz), magnetická a elektrická složka (150kHz 30MHz) Rušivé elektromagnetické pole

Radioklub OK2KOJ při VUT v Brně: Kurz operátorů 1 ANTÉNY A NAPÁJEČE. Kurz operátorů Radioklub OK2KOJ při VUT v Brně 2016/2017

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

Frekvence. BCM V 100 V (1 MΩ) - 0,11 % + 40 μv 0 V 6,6 V (50 Ω) - 0,27 % + 40 μv

elektrické filtry Jiří Petržela filtry založené na jiných fyzikálních principech

Laboratorní zdroj - 3. část

Transkript:

Měření vysokých napětí a velkých proudů

Vysokonapěťová měření Měření vysokých napětí (high voltage measurement) vyžaduje speciální techniky, jejichž nároky rostou s amplitudou měřených napětí (jednotky kv až jednotky MV) Měření vysokých napětí: Střídavých Stejnosměrných Impulzních Přechodových dějů (transients) (monitoring) Měření vysokých napětí ve vn laboratořích nebo v provozní praxi vyžadují různé přístupy Měření vysokých napětí a proudů 2

Měřicí kulová jiskřiště (sphere gaps) Klasická metoda pro měření vrcholové hodnoty střídavých, stejnosměrných a impulzních napětí Jednoduchá a spolehlivá zařízení, která se využívají zejména jako kalibrační měřidla s omezenou přesností (limited accuracy) Skládá se ze dvou identických kulových elektrod oddělených mezerou (gap) se vzduchovou izolací Neudávají nám přímo měřenou hodnotu, tu stanovíme na základě vzdálenosti (distance) elektrod při přeskoku (flashover) s ohledem na atmosférické podmínky (atmospheric conditions) Měření vysokých napětí a proudů 3

Měřicí kulová jiskřiště Měření vysokých napětí a proudů 4

Korekce na atmosférické podmínky Referenční podmínky t 0 = 20 C, p 0 = 101,3 kpa, v a = 8,5 g/m 3 Hustota vzduchu (air density) δ = p p 0 273 + t 0 273 + t Vrcholová hodnota (peak value) měřeného napětí U = U N δ v rozsahu 0,95 < δ < 1,05 Korekce na vlhkost (humidity correction) k v = 1 + 0,002 v δ 8,5 Měření vysokých napětí a proudů 5

Elektrostatický voltmetr (electrostatic voltmeter) Přímé měření vysokých potenciálů typicky od stovek voltů po stovky kv Měří střídavé i stejnosměrné napětí Vykazují velký vnitřní odpor (internal resistance) Vysoký horní limit frekvence měřeného napětí - několik MHz (omezeno sériovou rezonancí indukčnosti obvodu a kapacity měřicího systému) Jako izolační plyn (insulating gas) se nejčastěji užívá vzduch, pro vyšší napětí lze využít plyn SF 6 (do 1 MV, přesnost 0.1 %). Přesnost je u speciálních konstrukcí do 1 %, pro běžné aplikace do 2 % Měření vysokých napětí a proudů 6

Elektrostatický voltmetr Silové působení na volnou elektrodu Hustota energie (energy density) w e = 1 2 εe2 Energie v elementu dx dw = w e Sdx = 1 2 εse2 dx Síla působící na volnou elektrodu (acting force on free elect.) F = dw dx = 1 2 εse2 = 1 U2 εs 2 d 2 Střední hodnota (mean value) síly pro časově proměnné napětí 1 TF T න t dt = εs T 0 2d 2 T න U 2 t = εs 0 2d 2 U 2 RMS Měření vysokých napětí a proudů 7

Vrcholový voltmetr (Chubb-Fortescue method) Jednoduchá a přesná metoda měření vrcholové hodnoty střídavého napětí Měření vysokých napětí a proudů 8

Vrcholový voltmetr (Chubb-Fortescue method) Proud kondenzátorem C: i C = C du dt Střední hodnota měřeného proudu: I = 1 T න t 1 t 2 ic dt = C T u t 2 u t 1 = C T U pp Vrcholová hodnota měřeného napětí: U m = I 2Cf Měření vysokých napětí a proudů 9

Děliče napětí (voltage dividers) Skládají se z kombinace pasivních prvků (odporů a kapacit) Rozměry děliče jsou úměrné maximálnímu aplikovanému napětí (applied voltage) Horní elektroda bývá opatřena korónovým prstencem (grading ring; potlačení koróny -> vyšší přesnost) Výstupní proud by měl být menší než 10 ma (tomu odpovídá impedance 1 MΩ na 10 kv jmenovitého napětí) Měření vysokých napětí a proudů 10

Děliče napětí Při měření je nutné navrhnout obvod tak, aby se na vstupu do osciloskopu neobjevilo napětí vyšší než 50 V Výstupní napětí je dáno dělícím poměrem Dělící poměr (divider ratio): U 2 U 1 = Z 2 Z 1 + Z 2 Odporový dělič Kapacitní dělič U 2 = R 2 U 1 R 1 +R 2 U 2 = C 1 U 1 C 1 +C 2 U 1 Z 1 Z 2 U 2 Měření vysokých napětí a proudů 11

Kapacitní dělič Pro střídavá a impulzní napětí Nejvyšší napětí jednoho kondenzátoru je zpravidla 300 kv, poté již dochází ke značným úbytkům vlivem parazitních kapacit Pro napětí vyšší než 300 kv se jednotlivé kondenzátory spojují do svazků (stacked capacitors) OSC Měření vysokých napětí a proudů 12

Kapacitní dělič parazitní kapacity Vysokonapěťová část (HV arm) seskládá ze dvou kondenzátorů C 11 a C 12. Kovové stínění (shielding) je na potenciálů dolních elektrod příslušných kondenzátorů. Přes parazitní kapacitu (stray capacity) C e teče proud I e. Velikost C e je dána rozměry a permitivitou jako: C e = ln 2l d 2πεl 4h + l 4h + 3l 26 pf Pokud uvažujeme f = 50 Hz, C 11 = C 12 = 200 pf, získáme hodnoty: I 12 = I 2 = 2πf U 12 C 12 6.28 ma I e = 2πf U 12 C e 0.81 ma Celkový proud horní kapacitou je pak: I 1 = I 2 + I e 7.09 ma l = 1 m h = 1.2 m C 11 I 1 C 12 C 2 I 2 d = 0.2 m U 12 = 100 kv Místo skutečných 200 kv naměříme na VN části děliče napětí: U = U 12 + I 1 2πfC 11 213 kv Obecně lze pak uvažovat efektivní kapacitu C 1 C 1n n n C e 6 Kde n je počet svazků děliče C e I e Měření vysokých napětí a proudů 13

Odporový dělič (resistive voltage divider) Měření stejnosměrných, střídavých a impulzních napětí Velikost chyby je funkcí součinu kapacity vn a odporu děliče Proud minimálně 0.5 ma pro zachování dostatečné přesnosti měření (svodové proudy; leakage current) Ideálně je hodnota odporu co nejmenší (potlačení svodu), reálně je omezená výkonem zdroje a zahříváním odporů OSC Měření vysokých napětí a proudů 14

Odporový dělič Odpory jsou někdy navinuty ve šroubovici (helix) kolem izolačního válce (insulated cylinder) k redukci gradientu el. pole Typické hodnoty (U n = 300 kv): řetězec 300 odporů R = 2 MΩ, ΔP = U 2 /R = 150 W, I = U/R = 0.5 ma, přesnost měření (při vhodných úpravách): 0.003 % - pro kalibrace (calibration, reference measurement), < 3 % pro průmyslové použití (industrial tests) Zdroj: Universal Resistive/Capacitive Reference Voltage Divider, katalog HighVolt Měření vysokých napětí a proudů 15

Kompenzovaný odporový dělič Při rychlých jevech (fast transients) se chová jako kapacitní, při pomalých (slow transients) jako odporový dělič Frekvenční nezávislost (kompenzace) (frequency independency) Z 1 = R 1 1 + jωc 1 R 1 Z 2 = R 2 1 + jωc 2 R 2 U 2 ωc 1 R 1 jr 2 = U 1 ωr 1 R 2 C 1 + C 2 j(r 1 + R 2 ) Im U 2 ωr 1 R 2 C 1 R 1 C 2 R 2 = U 1 R 1 + R 2 2 + ω 2 R 2 1 R 2 2 C 1 + C 2 = 0 2 C 1 R 1 = C 2 R 2 Měření vysokých napětí a proudů 16

Kompenzovaný RC dělič Útlum (attenuation) kombinovaného děliče pro různé kapacity C 2, dělič je plně kompenzován pro C 2 =100 pf Útlum kombinovaného děliče s parazitní indukčností 1 mh Měření vysokých napětí a proudů 17

Dynamická odezva vn děličů Nejčastěji se zjišťuje experimentálně pomocí aplikace skokového napětí a odečtení normalizované odezvy děliče g(t) u(t) g(t) 1 β T β T γ T δ T α t 0 T 0 Společné pro T 0 a T α O 1 t 1 t Počátek odezvy O 1 je definován jako okamžik, kdy odezva poprvé vykazuje monotónní nárůst nad hodnotu amplitudy šumu v blízkosti nulové hladiny (lze přibližně stanovit jako průsečík prodloužení čela odezvy s časovou osou) Doba odezvy děliče (response time) je dána integrálem: T = න O 1 1 g(t) dt = T α T β + Tγ T δ + Měření vysokých napětí a proudů 18

Dynamická odezva vn děličů Experimentální doba odezvy T N je doba odezvy děliče pro t=2t max 2t max T N = න 1 g(t) dt O 1 Jmenovitá doba pro atmosférické plné a v týle useknuté impulzy t min = 0,8 µs a t max = 1,8 µs, pro spínací impulzy t min = 150 µs a t max = 500 µs Dílčí doba odezvy T α je hodnota integrálu odezvy v čase t 1, kdy g(t) poprvé dosáhne jednotkové hodnoty t 1 T α = න 1 g(t) dt O 1 Měření vysokých napětí a proudů 19

Dynamická odezva vn děličů Překmit normalizované odezvy na skok β rozdíl mezi maximem g(t) a jednotkou v procentech β = Max(g t ) 1 100% Zbytková doba odezvy T R (t i ) rozdíl mezi dobou odezvy a hodnotou integrálu odezvy na skok v daném čase t i T R t i = T N T(t i ) Čas ustálení t s (settling time) nejkratší čas, za který se zbytková doba odezvy stane a zůstane menší než 2% z t T N T(t) 0.02 t Měření vysokých napětí a proudů 20

Dynamická odezva vn děličů g(t) 1 β 0.5t min 2t max Referenční hladina T(t) T α O 1 t 1 t s T N +0.02t T N T N -0.02t O 1 t 1 t s 2t max Měření vysokých napětí a proudů 21

Měřící transformátor napětí (Instrument voltage transformer) Jednofázové transformátory V elektrizační soustavě plní funkci měřící (informativní, fakturační) a jistící (vstupy pro elektrické ochrany) Galvanicky oddělují vysokonapěťový obvod od měřicích přístrojů Měření vysokých napětí a proudů 22

Měřicí transformátor napětí Rozdíl fáze I 1 R 1 L r1 I R 2 L r2 2 I μ jωl 1 I 1 U 1 U 2 R Z L h U i Z R 1 I 1 Rozdíl amplitudy jωl 2 I 2 R 2 I 2 U 1 U i U 2 Definice chyby napětí (voltage error) φ 1 ε U = p UU 2 U 1 U 1 100 I 1 I 2 Zdroj: Instrument transformers, katalog ABB I μ Měření vysokých napětí a proudů 23

Měřicí transformátor proudu (Current transformer) Rozdíl fáze I 1 R 1 L r1 R 2 L r2 I 2 I 0 Rozdíl amplitudy R Z L h U i Z Definice chyby proudu ε I = p II 2 I 1 I 1 100 Zdroj: Instrument transformers, katalog ABB Měření vysokých napětí a proudů 24

Odporové bočníky (shunts) Přesný rezistor protékaný měřeným proudem (ss, stř. nebo imp.). Indukčnost je potlačena zpětným tokem proudu (princip bifilárního vinutí/bilifar coil) Eliminace vlivu skinefektu při vyšších frekvencích - dosahuje se uspořádáním pásků z manganinu do válcové plochy (koaxiální bočník/coaxial shunt). Nevýhodou je galvanické propojení měřicího systému s měřeným obvodem a tepelné a mechanické namáhání (heat and mechanical stress) bočníku při měření velkých proudů Měření vysokých napětí a proudů 25

Odporové bočníky Hodnota odporu bočníku se pohybuje v řádech miliohmů Při impulzních měřeních se projeví indukčnost indukční smyčky (inductive loop) mezi bočníkem a přívodem do měřáku (L m 10-100 nh) Výstupní napětí je pak dáno rovnicí: u(t) = u R (t) + u L (t) u L (t) u R (t) u t = u R t + u L (t) = R b i b (t) + L b di b(t) dt kde R b je odpor bočníku, L b je indukčnost bočníku a i b (t) je proud bočníkem. Nepřesnost měření je způsobena překmitem, viz graf Měření vysokých napětí a proudů 26

Rogowského cívka (Rogowski coil) Zařízení pro měření velkých proudů pomocí magnetické vazby Časovou změnou proudu ve vodiči se v měřicí cívce indukuje napětí. Toto napětí je úměrné časové derivaci proudu a lze z něj pomocí integračního článku (integrator) vypočítat skutečný proud Využití primárně při měření velmi rychlých dějů (stovky ka/μs), díky jednoduché konstrukci a vysoké přesnosti se používá i pro pomalejší děje (stř.) Zdroj: KECA 80 C85, katalog ABB Měření vysokých napětí a proudů 27

Rogowského cívka (Rogowski coil) Měřený proud lze vyjádřit jako: i t = 1 M න 0 T u t dt kde M je vzájemná indukčnost (mutual inductance) mezi vodičem a vinutím (winding). Pro měřicí cívku kruhového průřezu (circular cross-section) je velikost M: M = μ 0N a + b 2 ab 2 kde μ 0 je permeabilita vakua, N je počet závitů cívky (number of turns), a je vnitřní poloměr závitu cívky a b je vnější poloměr téhož. Pro harmonický průběh proudu: I 1 ω = U i(ω) jωm Konstantou integračního členu RC pak rozumíme: k RC = U i ωi Měření vysokých napětí a proudů 28

Optické senzory proudu (fiber optics current sensors) Princip Faradayova jevu rotace polarizační roviny vlivem magnetického pole (lineární závislost) Optoelektrický modul vyšle polarizovaný svazek světla do senzoru umístěného u vodiče Světlo se odrazí zpět a modul detekuje posun fáze (phase displacement) a vyhodnocuje velikost proudu Výhodné pro měření proudů při napětí přes 200 kv Galvanické oddělení obvodů (galvanic isolation) OE modul Senzor + 2 závity optického kabelu Vodič Zdroj: Free Standing Fiber Optic Current Sensor FOCS-FS, katalog ABB Měření vysokých napětí a proudů 29